专题十工艺流程题（考点剖析）-高考引领教学2023年高考化学二轮针对性复习方案（解析版）_05高考化学_通用版（老高考）复习资料_2023年复习资料_二轮复习

专题十 工艺流程题 必备知识 解读 一、高考精细审题 一.题干信息提供 1.描述：提供如下信息 ①原料 ：原料中有哪些元素及元素以何种化合物或单质形式存在。 ②制备目标产品 ③工艺过程中未知的陌生反应的产物和一些除杂信息。 2.流程图：提供如下解题信息 预处理 除去杂质离子 矿石或工 含 杂 质 含核 业废料 粉碎、焙烧、浸泡、 离 子 的 1.加入除杂试剂，2.杂质分离 溶 液 滤去不溶物 操作3.条件控制（1）调控温 心离 度（2）调节酸度（PH值） 4.循环使用的物质 子的 1.加入试剂，发生核心反应 提纯 2.分离粗品的方法和操作：结 精 品 粗品 晶、过滤、洗涤、萃取、蒸馏 溶液 提纯粗品操作：结晶、过 滤、洗涤、干燥；蒸馏 核心反应 二.设问（四大设问） 1.陌生的化学反应方程式 （1）陌生的化学反应的类型 ①氧化还原反应（包括电极反应） ②非氧化还原反应：主要是：酸碱反应、酸盐反应、沉淀反应 （2）陌生的化学反应在流程中的位置和用途 ①原料预处理时，与固体溶解相关的反应，原料预反应 ②除杂反应 ③核心反应 2.实验问题 （1）分离的方法 （2）除杂和提纯（3）控制条件的方法 3.原因分析 （1）加入试剂的原因 （2）升温或降温的原因 （3）加入过量试剂的原因 （4）摩擦试管壁或其它操作的原因 4.计算问题 （1）PH值的计算 （2）浓度的计算 （3）电化学计算 （4）产品纯度或原料利用率的计算 二、考题流程四步 第一步.原料预处理 第二步.预处理得到的溶液，进行离子除杂，得到核心离子 第三步.核心离子溶液中加入试剂。经过核心反应得到粗品 第四步.粗品提纯得到精品产物 应考能力 解 密 问题一.原料预处理 一、表面处理 1.除去油污：碱煮水洗、灼烧 2.除氧化膜：打磨、化学方法。 二、细化（粉碎）处理 1.粉碎或研磨：增大固液（或固气或固固）接触面积，加快反应（溶解）速率，增大原料 的转化率（或浸取率），提高原料利用率。 2.喷洒、雾化（用多孔分散器）：增大气--液接触面积，加快反应（溶解）速率，增大原 料的转化率（或浸取率），提高原料利用率。 三、灼烧、焙烧或煅烧处理 1.焙烧的目的： （1）除掉油污、有机物或某些可燃杂质。（2）空气氧化某种元素，使它转化为某气体或某种产物，再加酸溶解。 （3）原料之间高温下反应。如：MnO 和FeS 2 2.有时要书写焙烧的化学方程式。如：CuFeS 灼烧氧化为SO、CuO、FeO。 2 2 2 3 四、溶浸（溶解）处理 1.增 大 原 料 浸 出 率 （或）浸 出速 率） 的 措 施 ： （1） 浸 出 率： 浸 出 的有用成份占总原料的比例 搅 拌、 升 高 温 度 、减小 气 体 的 流 速 （ 浓 度 、 压 强 ） ，粉碎、 增 大 气 液 或 固 液 接 触 面 积增加浓度 、延 长 浸 出 时 间 （2）浸 出速 率：浸 出快慢 搅 拌 、 升 高 温 度 、 恰当的气 体 流 速 （ 浓 度 、 压 强 ） ， 粉碎、增 大 气 液 或 固 液 接 触 面 积增加浓度 2.水溶 煅烧处理后，原料发生变化，产生能溶于水或有水参加能发生反应的物质，就要水溶解。 3.碱溶的目的： （1）除去油污 （2）除去金属铝、SiO 等杂质（与NaOH反应） 2 4.酸浸的目的： （1）溶解、去氧化物（膜）、调节pH促进水解（生成沉淀） （2）酸与矿石中的盐、金属氧化物发生反应； （3）加入氧化剂或还原剂，作酸性介质。 五、生成目标产物中有用的离子，要书写预处理化学方程式。 矿石或废料的煅烧、酸溶、碱溶时的反应 1.矿石或废料的煅烧：一般是易被空气氧化或易分解的矿物，如：含硫矿石，硫被氧化成 SO.所加的原料之间，也可以发生反应。 2 2.酸溶：与酸能发生反应的矿石或废料：金属氧化物或金属弱酸盐，有些两性的金属高价 产物，题目会告知。如：CaF（PO） 与HSO 反应。 5 4 3 2 4 3.碱溶：“碱作用”还可以除去油污、除去铝片氧化物、溶解铝、二氧化硅，主要是铝和 二氧化硅与NaOH反应。 4.所加的原料之间，也可以发生反应，如：软锰矿与硫铁矿石（MnO 和FeS） 2 2 问题二.预处理得到的溶液，进行离子除杂，得到核心离子 一.加入试剂 1.某试剂的作用：1）调节PH值。 2）做氧化剂：如：HO、MnO、KMnO、KCIO 2 2 2 4 3 3）做还原剂：如：NaSO 2 3 4）做沉淀剂：如：F-（沉淀Ca2+、Mg2+离子）、S2-（沉淀Cu2+、Zn2+离子） 5）可循环使用的试剂：在流程中出现两次，一次使用、一次产出。 2.试剂的用量调控 （1）用量过多：浪费试剂 溶液的PH可能发生变化发生付反应后续处理浪费其它的试剂。 （2）用量过少：反应不充分或沉淀不彻底反应速率不快 3.加入方式：分步多次加入，利于充分反应。 二.控制条件 （一）温度控制 1.加 热 的 目 的 ： （1）煮沸蒸馏水是为了赶走水中的氧气。 （2）有时产生沉淀时加热，为了防止产生胶体，不利于沉淀生成。 （3）促进有利水解 （4）加快反应速率 2.加热的方式 （1）水浴：温度在100 ℃以下，易于控制温度，且受热均匀。 （2）油浴：温度在98 ℃以上，易于控制温度，且受热均匀。 （3）保温回流：让反应物充分反应，提高产率。 3.温度过高：从如下五个方面考滤后果。 (1) 温度太高，会消耗更多的资源，成本高。 (2) 温度太高，可能会导致催化剂失活，相同时间内的转化率变小。 (3) 温度升高，平衡向逆向移动，转化率变小。正反应是放热反应。 (4) 温度升高，某些物质会分解。如HO、NHHO、NHHCO 2 2 3 2 4 3 (5) 温度升高，某些物质会挥发。如HO、NHHO、 2 2 3 2 (6) 温度升高，促进不利水解 (7) 温度升高，促进不利付反应 4.温度过低：从如下三个方面考滤后果。 （1）温度太低，化学反应速率慢，但是，转化率可能高。 （2）温度太低，不该析出的物质，可能从溶液中析出晶体。 （3）温度太低，某些物质的状态可能会发生变化。（二）.酸碱性控制 1.调节PH的目的：生成沉淀，除去杂质。 （1）调控水解，使某些离子沉淀如Fe3+（生成Fe（OH）、下同）、Cu2+、Al3+。 3 （2）保留某些物质使其转化为PH范围内的离子状态、不产生沉淀。 2.调节PH的试剂： （1）酸性溶液要调节PH：只要能和酸反应的都可以。 如：单质：Zn、Fe、Al都行，能和H+反应的金属。 化合物：氧化锌、氧化铁、氧化铝、氧化铜、氢氧化物、碳酸盐、氢氧化钠、氨水。 （2）如果调节PH时，目标产物是沉淀，与加入的试剂中离子无关的，可以用：氢氧化 钠、氨水。 （3）如果目标产物不是沉淀，而是从溶液中析出的晶体，就不能引入新的杂质，要加入需 要保留的金属离子的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、碱式碳酸盐。 三、杂质的分离 （一）固体-液体分离 1.滤渣成份: （1）题目告知的沉淀。 （2）滤渣是不和酸反应的物质：SiO、MnO、S 2 2 （3）被C或CO还原的铜。 （4）若溶液中有Ca2+，和硫酸反应产生的CaSO。和碳酸钠反应产生的CaCO 4 . 3 （5） 调节PH产生的氢氧化铁、氢氧化铝、氢氧化铜。 （6）不与碱溶液反应的金属氧化物 2.过滤的方法-除去被沉淀的离子 （1）常温常压过渡 （2）趁热过滤（保温漏斗）：以保证溶液中的某些杂质物质不析出。 （3）加速过渡（抽滤、减压过渡）：加快过滤的速率。 3.检 验 溶 液 中 离 子 是 否 沉 淀 完 全 的 方 法 ： 将 溶 液 静 置 一 段 时 间 后 ， 向 上 层 清 液 中 滴 入 对 应 的 沉 淀 剂 （ 必 要 时 先 加 酸 酸 化 排 除 其 他 离 子 的 干 扰 ） ， 若 无 沉 淀 生 成 ， 则 离 子 沉 淀 完 全 （ 写 出 详 细 的 操 作 、 现 象 、 结 论 ） 4.促进沉淀析出的方法： （1）摩察试管内壁，防止形成胶体，利于沉淀析出。 （2）升高温度，防止形成胶体，利于沉淀析出。（3）加入过量的电解质溶液，使胶体形成沉淀。 （二）液体-液体 1.蒸馏：分离沸点不同的两种相溶的液体。 2.萃取-反萃取-分液 四.书写除杂反应方程式：如：NaF除去Ca2+、Mg2+。 问题三.核心离子溶液中加入试剂。经过核心反应得到粗品 一、加入试剂，发生核心反应，书写核心反应方程式 1.流程中的非氧化还原反应：元素化合价无变化则为非氧化还原反应，遵循质量守恒定 律。要求写离子方程式。主要有：酸碱反应、酸盐反应、沉淀反应。 如：用碳酸铵溶液与含硫酸镁的溶液反应生成Mg(OH)∙MgCO，这就是碱式碳酸镁沉淀，要 2 3 写沉镁过程的离子反应；硫酸亚铁溶液加入碳酸氢钠反应的离子方程式。 又如：NaFeO 转化为KFeO 的反应：KFeO 的溶解度比NaFeO 的溶解度小。 2 4 2 4 2 4 2 4 2.化工流程中陌生氧化还原反应方程式的书写 化工流程中陌生化还原反应的书写思路 ：元素化合价有变化则为氧化还原反应，除遵循质 量守恒外，还要遵循得 失电子守恒规律。最后根据题目要求写出化学方程式或离子方 程式（需要遵循 电荷守恒规律）即可。 氧化还原反应方程式的书写： 首先确定“两剂两产物”，即氧化剂、还原剂、氧化产物和 还原产物。接下来三步配平方程式。 ①根据化合价升降法配平两剂两产物； ②氧化剂和还原剂中的元素与还原产物、氧化产物中的元素对应配平； ③如是离子方程式，要根据电荷守恒补充 H＋和 OH－； 根据原子守恒补充 HO 配平氢元素，最后配平所有原子。 2 二.分离粗品的方法和操作 1.从 滤 液 中 提 取 一 般 晶 体 的 方 法： 晶体类型： 溶 解 度 随 温 度 升 高 而 增 大 的 晶 体 ，带结晶水，易水解的晶 体 ，易分解的 晶 体 ， 结晶方法：蒸 发 浓 缩 < 至 有 晶 膜 出 现 >、 冷 却 结 晶 、 过 滤 、 洗 涤 （ 冰 水 洗 、 热 水 洗 、 乙 醇 洗 ） 、 干 燥 2.从 滤 液 中 提 取晶体的另一种 的 方 法： 晶体类型： 溶 解 度 受 温 度 影 响 较 小 或 随 温 度 升 高 而 减 小 的 晶 体 ， 如 NaC l 结晶方法： 蒸 发结晶 、 趁热 过 滤 <如 果 温 度 下 降 ， 杂 质 也 会 以 晶 体的 形 式 析 出 来 >、 洗 涤 、 干 燥 问题四.粗品提纯得到精品产物 一.电化提纯： 通过电解法提纯，要书写电极反应 二.目标产物过滤后，需要洗涤。 1. 洗 涤 的 目 的 ：提纯目标产物 洗掉沉淀或者晶体表面可能吸附的可溶性离子. 尽量减少沉淀或者晶体的损失。 2.检 验 沉 淀 是 否 洗 涤 干 净 的 方 法 ： 取最后一次洗涤液，加入一种试剂，这种试剂，能够与溶液中存在并且有可能被沉淀吸附 的离子反应生成沉淀。所以，要明确沉淀从什么溶液中析出。往往要检验的是： SO2-、Cl-。 4 3.洗涤试剂： （1）乙醇洗涤： 降 低 被 洗 涤 物 质 的 溶 解 度 ， 减 少 被 洗 涤 物 质 的 溶 解 损 耗 ， 得 到 较 干 燥 的 产 物 快速除去表面水份，减少晶体损失。 （2）冷水： 洗 去 晶 体 表 面 的 杂 质 离 子 并 降 低 被 洗 涤 物 质 的 溶 解 度 ， 减 少 其 在 洗 涤 过 程 中 的 溶 解 损 耗，提高产率。 防水解 （3）用某种溶液洗涤： 减少固体在水中的溶解度； 除去杂质，与溶液中的某些离子可以反应，以洗掉某些物质。 （4）有机溶剂： 减 少 产 品的 溶 解 损 耗 ，提高产率。防止产品可能的水解。 4.怎样洗沉淀：在过滤器中直接洗。 在过滤器中加少量水，使水浸没沉淀，等水滤下，反复操作2-3次即可。 三.蒸馏：粗液体产物提纯方法，是蒸馏 四.重结晶：固体产物提纯方法，是重结晶 问题五、计算问题一、计算控制条件中的相关数据 1.M(OH) 悬浊液中K 、K、pH之间的关系: n sp W M(OH)(s) Mn+(aq)+nOH-(aq) n c(OH-) cn+1(OH-) 1 K K =c(Mn+)·cn(OH-)= ·cn(OH-)= = ( W )n+1。 sp n n n 10-pH 由此可求： 已知Ks和离子浓度，求开始沉淀时的PH值 已知Ks和完全沉淀时的离子浓度（小于10-5），求开始沉淀时的PH值 已知完全沉淀时的PH值，求离子浓度 2.已知两个Ks和离子浓度，求一个离子完全沉淀（开始沉淀）时，另一离子的浓度 M(OH)(s) Mn+(aq)+nOH-(aq) K =c(Mn+)·cn(OH-) n spM(OH)n N(OH)(s) Nn+(aq)+nOH-(aq) K =c(Nn+)·cn(OH-) n spNOH)n 两个Ksp都有OH-，已知其一可求另外一个离子浓度 3.沉淀转化的计算 二.计算纯度、原料利用率 产品的纯净质量 （1）纯度= ×100% 粗产品的质量 原料的转化质量 （2）原料利用率= ×100% 原料的总质量 三.电化学和氧化还原反应的计算 （1）根据得失电子守恒关系建立起已知量与未知量之间的桥梁，构建计算所需的关系式。 如以通过4 mol e－为桥梁可构建如下关系式： (式中M为金属，n为其离子的化合价数值) （2）根据得失电子守恒关系可以计算氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物的物质的量的 比以及质量 高考实例剖析高考实例剖析-- 高考怎么考《工艺流程题》，根据高考指挥棒来学习《工艺流程题》 【高考实例一】 ZnSO 1.（2022·全国甲卷）硫酸锌( 4 )是制备各种含锌材料的原料，在防腐、电镀、医学上 ZnCO SiO 有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为 3，杂质为 2以及Ca、 Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如下： 本题中所涉及离子的氯氧化物溶度积常数如下表： 离子 Fe3+ Zn2+ Cu2+ Fe2+ Mg2+ K sp 4.01038 6.71017 2.21020 8.01016 1.81011 回答下列问题： (1)菱锌矿焙烧生成氧化锌的化学方程式为_______。 (2)为了提高锌的浸取效果，可采取的措施有_______、_______。 pH=5 (3)加入物质X调溶液 ，最适宜使用的X是_______(填标号)。 NH H O Ca(OH) NaOH A． 3 2 B． 2 C． 滤渣①的主要成分是_______、_______、_______。 80~90℃ KMnO MnO (4)向 的滤液①中分批加入适量 4溶液充分反应后过滤，滤渣②中有 2， 该步反应的离子方程式为_______。 (5)滤液②中加入锌粉的目的是_______。 H SO (6)滤渣④与浓 2 4反应可以释放HF并循环利用，同时得到的副产物是_______、 _______。焙烧 【答案】(1)ZnCO ZnO+CO ↑ 3 2 (2) 将焙烧后的产物碾碎，增大接触面积 增大硫酸的浓度等 (3) B Fe(OH) CaSO SiO 3 4 2 MnO- (4)3Fe2++ 4+7H O=3Fe(OH) ↓+MnO ↓+5H+ 2 3 2 (5)置换Cu2+为Cu从而除去 (6) CaSO MgSO 4 4 【解析】由题干信息，菱锌矿的主要成分为ZnCO ，杂质为SiO 以及Ca、Mg、Fe、Cu等的 3 2 焙烧 化合物，结合流程图分析，菱锌矿焙烧，主要发生反应ZnCO ZnO+CO ↑，再加入 3 2 H SO 酸浸，得到含Zn2+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+的溶液，加入物质X调节pH=5，结 2 4 合表格数据，过滤得到Fe(OH) 、CaSO 、SiO 的滤渣①，滤液①中主要含有Zn2+、Cu2+、 3 4 2 Mg2+、Ca2+、Fe2+，再向滤液①中加入KMnO 溶液氧化Fe2+，过滤得到Fe(OH) 和MnO 的滤 4 3 2 渣②，滤液②中加入锌粉，发生反应Zn+Cu2+=Zn2+=Cu，过滤后得到滤渣③为Cu，再向滤液 ③中加入HF脱钙镁，过滤得到滤渣④为CaF 、MgF ，滤液④为ZnSO 溶液，经一系列处理 2 2 4 得到ZnSO ·7H O，据此分析解答。 4 2 焙烧 (1)由分析，焙烧时，生成ZnO的反应为：ZnCO ZnO+CO ↑； 3 2 (2)可采用将焙烧后的产物碾碎，增大接触面积、增大硫酸的浓度等方式提高锌的浸取率； (3)A．NH ·H O易分解产生NH 污染空气，且经济成本较高，故A不适宜； 3 2 3 B．Ca(OH) 不会引入新的杂质，且成本较低，故B适宜； 2 C．NaOH会引入杂质Na+，且成本较高，C不适宜； 故答案选B； 当沉淀完全时(离子浓度小于10-5mol/L)，结合表格Ksp计算各离子完全沉淀时pH＜5的只有 Fe3+，故滤渣①中有Fe(OH) ，又CaSO 是微溶物，SiO 不溶于酸，故滤渣①的主要成分是 3 4 2 Fe(OH) 、CaSO 、SiO ； 3 4 2 (4)向80~90℃滤液①中加入KMnO 溶液，可氧化Fe2+，得到Fe(OH) 和MnO 的滤渣②，反 4 3 2MnO- 应的离子方程式为3Fe2++ 4+7H O=3Fe(OH) ↓+MnO ↓+5H+； 2 3 2 (5)滤液②中加入锌粉，发生反应Zn+Cu2+=Zn2+=Cu，故加入锌粉的目的为置换Cu2+为Cu从而 除去； (6)由分析，滤渣④为CaF 、MgF ，与浓硫酸反应可得到HF，同时得到的副产物为CaSO 、 2 2 4 MgSO 。 4 【实战演练】 1．（2022·江西九江·二模）以碳酸锰铜矿(主要成分为MnCO 、CuCO ，还含有Fe O 、FeO 3 3 2 3 等杂质)为原料制备硫酸锰的一种工艺流程如下： (1)“氧化”时，反应的离子方程式为_______。可用一种试剂检验氧化后的溶液中是否含有 Fe2+，该试剂为_______(写化学式)。 (2)加入MnCO 调节pH=3.3时可以将Fe3+转化为Fe(OH) 而除去，该反应的离子方程式为 3 3 _______。 (3)“沉铜"时，若滤液中c(Mn2+)=0.21mol·L-1，向其中缓慢通入氨气，为了使铜离子完全沉淀 而又避免生成Mn(OH) ，应控制pH的范围为_______。[已知：常温下，Ksp[Cu(OH) ]=1×10- 2 2 20，Ksp[Mn(OH) ]=2.1×10-13，离子浓度小于或等于10-5mol/L可视为沉淀完全] 2 (4)本工艺中可循环使用的物质是_______。 (5)结合图像，分析获得(MnSO ·H O)晶体的“系列操作”步骤为：_______、_______，酒精 4 2 洗涤，低温干燥。【答案】(1) MnO +2Fe2++4H+=2Fe3++Mn2++2H O K [Fe(CN) ] (或KMnO ) 2 2 3 6 4 (2)3MnCO +2Fe3+ +3H O = 2Fe(OH) +3Mn2+ +3CO ↑ 3 2 3 2 (3)6.5≤PH＜8 (或6.5～8) (4)NH 、MnCO 3 3 (5) 蒸发结晶 趁热过滤 【解析】碳酸锰铜矿主要成分为MnCO 、CuCO ，还含有Fe O 、FeO杂质，用硫酸酸浸， 3 3 3 4 得到硫酸锰、硫酸铜、硫酸铁、硫酸亚铁的混合溶液，加入二氧化锰， Fe2+被氧化为 Fe3+；加入MnCO 调节pH生成氢氧化铁沉淀；过滤后向溶液中通入氨气生成氢氧化铜沉淀， 3 过滤，向滤液中加入NH HCO ，生成MnCO 沉淀，MnCO 沉淀中加硫酸，得到硫酸锰溶液， 4 3 3 3 以此解题。 (1)“氧化”时，二氧化锰把酸浸后的二价铁氧化为三价铁，离子方程式为： MnO +2Fe2+ 2 +4H+=2Fe3++Mn2++2H O；二价铁和铁氰化钾相遇的时候会生成蓝色沉淀，可以用铁氰化钾来 2 检验，另外二价铁有还原性，可以使高锰酸钾褪色，可以用酸性高锰酸钾来检验，故答案 为：MnO +2Fe2++4H+=2Fe3++Mn2++2H O ；K [Fe(CN) ] (或KMnO )； 2 2 3 6 4 (2)碳酸锰消耗三价铁水解产生的氢离子，导致氢离子浓度降低，促进三价铁水解，该反应 的离子方程式为：3MnCO +2Fe3+ +3H O = 2Fe(OH) +3Mn2+ +3CO ↑； 3 2 3 2 (3)铜离子完全沉淀是铜离子浓度小于或等于10-5mol/L，此时c(OH-)= =10-7.5 mol/L，c(H+)= =10-6.5，pH=6.5；锰离子开始沉淀时，c(OH-)= =10-6 mol/L， c(H+)= =10-8，pH=8，故应控制pH的范围为6.5≤PH＜8 (或6.5～8)；(4)通过流程图可知，在加热赶氨的时产生氨气，另外本题在沉锰的时候生成碳酸锰，故本 工艺中可循环使用的物质是NH 、MnCO ； 3 3 (5)从MnSO 溶液中得到MnSO ·H O的方法为：蒸发结晶、趁热过滤、洗涤、干燥，故答案 4 4 2 为：蒸发结晶、趁热过滤。 2．（2022·山西太原·二模）铬是一种重要的金属材料，被广泛用于冶金、化工、耐火材料 等行业。某铬铁矿的主要成分为Cr O 、Fe O 、FeO，还有少量MgO、Al O 和杂质SiO 等， 2 3 2 3 2 3 2 利用其制备多种铬产品和其他金属产品的工艺流程如下： 已知：Al O +Na CO 2NaAlO +CO ↑ SiO +Na CO Na SiO +CO ↑ 2 3 2 3 2 2 2 2 3 2 3 2 回答下列问题： (1)步骤①发生的主要反应为FeO+Cr O +Na CO +NaNO Na CrO +Fe O +NaNO +A↑，反应 2 3 2 3 3 2 4 2 3 2 时应选用何种材质的容器？_______(填字母)。 A．塑料 B．刚玉 C．铁 D．石英 (2)步骤②的操作是_______，“滤渣 2”是Al(OH) 和_______。 写出过量物质A与“滤液 3 1"中溶质生成Al(OH) 的离子方程式：_______。 3 (3)“滤液2”中的Na CrO 需要用H SO 酸化，用离子方程式表示该反应：_______。 2 4 2 4 (4)制取高纯铬常用电解法和铝热法，铝热法的缺点是_______。步骤④是在隔绝空气条件 下，除生成Cr O 外，还生成了Na CO 和CO，若该反应中有3 mol Na Cr O 参加反应，则转 2 3 2 3 2 2 7 移的电子为_______mol。 (5)“滤渣1”中铁元素含量较高，具有回收价值。为回收金属，需要将含Fe3+的有机相进行反 萃取。在有机相中Fe3+质量浓度为22.8 g/L、有机相与水相的体积比(V：V)=1：1、反萃取 o a 时间为20min、反萃取温度为25°C条件下，不同浓度的4种反萃取剂对Fe3+反萃取率的影 响实验结果如图所示。当反萃取剂的浓度均为0.5 mol·L-1时，反萃取效果最好的是_______(填化学式)，在实际操作中需在该反萃取剂中加入一定量H PO 溶液，其目的是_______ ； 3 4 但H PO 浓度不宜过大，其原因是_______。[已知：(NH ) HPO 溶液pH=7.8 ~8.2] 3 4 4 2 4 【答案】(1)C (2) 水浸、过滤 H SiO AlO +CO +2H O=Al(OH) ↓+HCO 2 3 2 2 3 (3)2CrO +2H+ Cr O +H O 2 2 (4) 能耗大或者产品纯度较低 18 (5) (NH ) HPO 调节溶液的pH，防止Fe3+在反萃取时可能生成沉淀 pH小会生 4 2 4 成NH H PO ，反萃取率低(或其他合理解释) 4 2 4 【解析】根据题干信息，铬铁矿的主要成分为Cr O 、Fe O 、FeO，还有少量MgO、Al O 和 2 3 2 3 2 3 杂质SiO 等，现向熔融的铬铁矿中加入Na CO 、NaNO 氧化，步骤①发生的反应有 2 2 3 3 Al O +Na CO 2NaAlO +CO ↑、SiO +Na CO Na SiO +CO ↑、 2 3 2 3 2 2 2 2 3 2 3 2 2FeO+Cr O +2Na CO +4NaNO 2Na CrO +Fe O +4NaNO +2A↑，则A为CO ，熔块经水浸、 2 3 2 3 3 2 4 2 3 2 2 过滤后分离出滤渣1含Fe O ，滤渣1经酸溶、氧化、萃取分液、反萃取得到Fe3+。滤液1 2 3 中含NaAlO 、Na CrO 、Na SiO 、NaNO 、NaNO 等，向滤液1中通入过量的CO ，得到滤渣 2 2 4 2 3 2 3 2 2含H SiO 、Al(OH) ，滤液2中含Na CrO ，酸化后得到Na Cr O ，再加入焦炭高温还原得到 2 3 3 2 4 2 2 7 Cr O ，进而得到Cr，据此分析解答。 2 3 (1)步骤①中发生反应2FeO+Cr O +2Na CO +4NaNO 2Na CrO +Fe O +4NaNO +2CO ↑，因 2 3 2 3 3 2 4 2 3 2 2 此该步骤不能使用石英容器，原因是二氧化硅与碳酸钠高温下反应生成硅酸钠和二氧化碳，刚玉(氧化铝)与碱性物质高温下反应，塑料不耐热，可选铁坩埚，故答案选C； (2)由分析，步骤②得到滤渣1和滤液2，故操作为水浸、过滤，滤液1中通入过量的CO ， 2 得到滤渣2含H SiO 、Al(OH) ，生成Al(OH) 的离子方程式为AlO +CO +2H O=Al(OH) ↓+HCO 2 3 3 3 2 2 3 ； (3)滤液2中含Na CrO ，酸化后得到Na Cr O ，转化的离子方程式为2CrO +2H+ Cr O 2 4 2 2 7 2 +H O； 2 (4)铝热反应能耗大，使用铝热法制取高纯铬，获得的产品纯度较低，故选用电解法，步骤 ④是在隔绝空气条件下，除生成Cr O 外，还生成了Na CO 和CO，Cr元素由+6价降低为+3 2 3 2 3 价，若该反应中有3 mol Na Cr O 参加反应，则转移的电子为3mol×2×3=18mol； 2 2 7 (5)结合图像可知，浓度为0.5mol/L时，(NH ) HPO 的反萃取率较高，因此反萃取效果最好 4 2 4 的是(NH ) HPO ，由于Fe3+易生成Fe(OH) ，因此在该反萃取剂中加入一定量H PO 溶液调节 4 2 4 3 3 4 溶液的pH，防止Fe3+在反萃取时可能生成Fe(OH) 沉淀，但pH过小会生成NH H PO ，导致 3 4 2 4 反萃取率低，因此H PO 溶液浓度不宜过大。 3 4 【高考实例二】 PbSO PbO PbO 2．（2022·全国乙卷）废旧铅蓄电池的铅膏中主要含有 4、 2、 和Pb。还有 少量Ba、Fe、Al的盐或氧化物等。为了保护环境、充分利用铅资源，通过下图流程实现铅 的回收。 一些难溶电解质的溶度积常数如下表： 难溶电解质 PbSO PbCO BaSO BaCO 4 3 4 3 K 2.5108 7.41014 1.11010 2.6109 sp 一定条件下，一些金属氢氧化物沉淀时的pH如下表：金属氢氧化物 Fe(OH) Fe(OH) Al(OH) Pb(OH) 3 2 3 2 开始沉淀的pH 2.3 6.8 3.5 7.2 完全沉淀的pH 3.2 8.3 4.6 9.1 回答下列问题： PbSO (1)在“脱硫”中 4转化反应的离子方程式为________，用沉淀溶解平衡原理解释选择 Na CO 2 3的原因________。 Na CO BaSO (2)在“脱硫”中，加入 2 3不能使铅膏中 4完全转化，原因是________。 HAc H O (3)在“酸浸”中，除加入醋酸( )，还要加入 2 2。 H O (ⅰ)能被 2 2氧化的离子是________； H O Pb(Ac) (ⅱ) 2 2促进了金属Pb在醋酸中转化为 2，其化学方程式为________； H O PbO Pb(Ac) H O (ⅲ) 2 2也能使 2转化为 2， 2 2的作用是________。 (4)“酸浸”后溶液的pH约为4.9，滤渣的主要成分是________。 (5)“沉铅”的滤液中，金属离子有________。 2- 2- 2- 2- 【答案】(1) PbSO (s)+CO3 (aq)= PbCO (s)+SO4 (aq) 反应PbSO (s)+CO3 (aq)= PbCO (s)+SO4 4 3 4 3 c(SO2-) 4 (aq)的平衡常数K=c(CO 3 2-)=3.4105>105，PbSO 4 可以比较彻底的转化为PbCO 3 c(SO2-) 4 (2)反应BaSO (s)+CO2-(aq)= BaCO (s)+SO2-(aq)的平衡常数K=c(CO2-)=0.04<<105，反应正向 4 3 3 4 3 进行的程度有限 (3) Fe2+ Pb+H O +2HAc=Pb(Ac) +2H O 作还原剂 2 2 2 2 (4)Fe(OH) 、Al(OH) 3 3 (5)Ba2+、Na+ 【解析】铅膏中主要含有PbSO 、PbO 、PbO和Pb，还有少量Ba、Fe、Al的盐或氧化物等， 4 2向铅膏中加入碳酸钠溶液进行脱硫，硫酸铅转化为碳酸铅，过滤，向所得固体中加入醋酸、 过氧化氢进行酸浸，过氧化氢可将溶液中的亚铁离子氧化为铁离子，酸浸后溶液的pH约为 4.9，依据金属氢氧化物沉淀时的pH可知，滤渣主要成分为氢氧化铝、氢氧化铁，过滤后， 向滤液中加入氢氧化钠溶液进行沉铅，得到氢氧化铅沉淀，滤液中的金属阳离子主要为钠 离子和钡离子，氢氧化铅再进行处理得到PbO。 (1)“脱硫”中，碳酸钠溶液与硫酸铅反应生成碳酸铅和硫酸钠，反应的离子方程式为： 2- 2- PbSO (s)+CO3 (aq)= PbCO (s)+SO4 (aq)，由一些难溶电解质的溶度积常数的数据可知， 4 3 2- 2- K (PbCO )=7.4  10-14，K (PbSO )=2.5  10-8，反应PbSO (s)+CO3 (aq)= PbCO (s)+SO4 (aq)的平衡 sp 3 sp 4 4 3 c(SO2 4 -) c(Pb2+)c(SO2 4 -) K sp (PbSO 4 ) 2.510-8 常数K= c(CO 3 2-) =c(Pb2+)c(CO 3 2-)=K sp (PbCO 3 )= 7.410-14 ≈3.4  105>105，说明可以转化的 比较彻底，且转化后生成的碳酸铅可由酸浸进入溶液中，减少铅的损失。 c(SO2-) c(Ba2+)c(SO2-) 4 4 (2)反应BaSO (s)+CO2-(aq)= BaCO (s)+SO2-(aq)的平衡常数K=c(CO2-)=c(Ba2+)c(CO2-)= 4 3 3 4 3 3 K (BaSO ) sp 4 1.110-10 K sp (BaCO 3 )=2.610-9 ≈0.04<<105，说明该反应正向进行的程度有限，因此加入碳酸钠不 能使铅膏中的BaSO 完全转化。 4 (3)（i）过氧化氢有氧化性，亚铁离子有还原性，会被过氧化氢氧化为铁离子。 （ii）过氧化氢促进金属Pb在醋酸溶液中转化为Pb(Ac) ，过氧化氢与Pb、HAc发生氧还原 2 反应生成Pb(Ac) 和H O，依据得失电子守恒和原子守恒可知，反应的化学方程式为： 2 2 Pb+H O +2HAc=Pb(Ac) +2H O。 2 2 2 2 （iii）过氧化氢也能使PbO 转化为Pb(Ac) ，铅元素化合价由+4价降低到了+2价，PbO 是 2 2 2 氧化剂，则过氧化氢是还原剂。 (4)酸浸后溶液的pH约为4.9，依据金属氢氧化物沉淀时的pH可知，滤渣主要成分为氢氧 化铝、氢氧化铁。 (5)依据分析可知，加入碳酸钠不能使铅膏中的BaSO 完全转化，铁离子、铝离子转化为了 4 氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，铅转化为了氢氧化铅、最终变为了氧化铅，因此沉铅的滤液中，金属离子有Ba2+和加入碳酸钠、氢氧化钠时引入的Na+。 【实战演练】 1．（2022·陕西汉中·二模）我国发现超级铼矿，铼(Re)是一种熔点高、耐磨、耐腐蚀的金 属，广泛用于航天航空等领域。工业上用富铼渣(含ReS )制得铼粉，其工艺流程如下图所 2 示： 回答下列问题： (1)铼不溶于盐酸，可溶于稀硝酸生成强酸高铼酸(HReO )，请写出反应的离子方程式 4 _______。 (2)提高富铼渣浸出率的方法有_______(任写两种)；酸浸相同时间，测得铼的浸出率与温度 关系如下图所示，分析高于T ℃时铼的浸出率降低的原因_______。 1 (3)操作II所用的主要玻璃仪器是_______。 (4)高铼酸铵和氢气制取单质铼的化学方程式为_______；此反应过程中，实际消耗H 的量 2 大于理论值，其原因是_______。 (5)由高铼酸铵溶液获得高铼酸铵晶体的一系列操作为_______、洗涤、干燥。 (6)整个工艺流程中除有机溶液可循环利用外，还有_______。 【答案】(1)3Re +4H+ +7NO = 3ReO +7 NO↑+ 2H O 2 (2) 将富铼渣粉碎、适当增大H SO 和H O 的浓度、适当升温、搅拌等 超过T °C 2 4 2 2 1 时，过氧化氢分解 (3)分液漏斗(4) 2NH ReO + 7H 2NH +2Re+8H O H 除作还原剂外，还作保护气、用于排尽装置内 4 4 2 3 2 2 空气等 (5)蒸发浓缩、冷却结晶 (6)NH 或H SO 3 2 4 【解析】由题给流程可知，向富铼渣中加入稀硫酸和过氧化氢溶液浸取，二硫化铼与过氧 化氢溶液反应得到高铼酸和硫酸，过滤得到滤渣和含有高铼酸、硫酸的浸出液；向浸出液 中加入有机溶液萃取高铼酸，分液得到含有高铼酸的有机层和含有硫酸的废液；向有机层 中加入氨水反萃取，分液得到有机溶液和高铼酸铵溶液；高铼酸铵溶液经蒸发浓缩、冷却 结晶等一系列操作得到高铼酸铵晶体，高铼酸铵晶体与氢气在800℃条件下共热反应制得 铼粉，整个工艺流程中有机溶液、氨气、硫酸可循环利用可循环利用。 (1)由题意可知，铼与稀硝酸反应生成高铼酸、一氧化氮和水，反应的离子方程式为3Re +4H+ +7NO = 3ReO +7 NO↑+ 2H O，故答案为：3Re +4H+ +7NO = 3ReO +7 NO↑+ 2H O； 2 2 (2)将富铼渣粉碎、适当增大H SO 和H O 的浓度、适当升温、搅拌等措施提高富铼渣浸出 2 4 2 2 率；温度高于T ℃时，过氧化氢受热易分解，过氧化氢的浓度降低，所以酸浸相同时间铼 1 的浸出率降低，故答案为：将富铼渣粉碎、适当增大H SO 和H O 的浓度、适当升温、搅 2 4 2 2 拌等；超过T °C时，过氧化氢分解； 1 (3)由分析可知，操作II为分液，所用的主要玻璃仪器为分液漏斗，故答案为：分液漏斗； (4)由分析可知，高铼酸铵晶体与氢气在800℃条件下共热反应生成铼、氨气和水，反应的 化学方程式为2NH ReO + 7H 2NH +2Re+8H O；得到铼粉时，为防止铼被空气中氧气氧 4 4 2 3 2 化，反应开始时，需要用氢气排尽装置内空气，反应结束时，需要用保护气，所以反应过 程中，实际消耗氢气的量大于理论值，故答案为：2NH ReO + 7H 2NH +2Re+8H O；H 4 4 2 3 2 2 除作还原剂外，还作保护气、用于排尽装置内空气等； (5)由分析可知，高铼酸铵溶液经蒸发浓缩、冷却结晶等一系列操作得到高铼酸铵晶体，故 答案为：蒸发浓缩、冷却结晶；(6)由分析可知，整个工艺流程中有机溶液、氨气、硫酸可循环利用可循环利用，故答案为： NH 或H SO 。 3 2 4 2．（2022·陕西渭南·二模）金属钪可用作宇航材料、火箭和飞机的制造材料；氧化钪可提 高计算机记忆元件性能。赤泥是铝土矿加工过程中产生的废料，含有丰富的钪元素，另含 有Fe O 、SiO 、Al O 等氧化物。一种从赤泥中提取氧化钪的工艺流程如图所示(P O 是一种 2 3 2 2 3 2 4 磷酸酯萃取剂)。 回答下列问题： (1)写出赤泥经盐酸处理后所得“浸渣”与强碱溶液反应的离子方程式____。 (2)赤泥“酸浸”时温度过高，酸浸速率反而下降，其原因是____。 (3)P O 萃取浸出液，其浓度、料液温度对萃取率的影响如表所示，萃取时P O 最佳浓度及 2 4 2 4 料液温度分别为____、____；萃取后“盐酸洗涤”的目的是____。P O 浓度对萃取率的影 2 4 响如表： 试验编号 P O 浓度/% 分相情况 钪萃取率/% 铁萃取率/% 2 4 1-1 1 分相快 90.76 15.82 1-2 2 分相容易 91.53 19.23 1-3 3 分相容易 92.98 13.56 1-4 4 有第三相 90.69 30.12 1-5 5 轻微乳化 91.74 39.79 料液温度对分离系数的影响如图：(4)反萃取时，Sc3+完全沉淀(浓度为1.0×10-6mol·L-1)时，反萃液的pH为____。(已知： K [Sc(OH) ]=8.00×10-31，lg2=0.30，结果保留小数点后两位) sp 3 (5)为探究所得草酸钪晶体Sc (C O ) ·xH O中结晶水的含量，取2.96g样品(纯度为75%)，灼 2 2 4 3 2 烧得到0.69gSc O 固体，则x=____。 2 3 (6)草酸钪晶体灼烧分解反应方程式为____，其固体副产物主要为____。 2 【答案】(1)SiO +2OH—=SiO3 +H O 2 2 (2)盐酸易挥发，酸浸时温度过高，会使氯化氢挥发，盐酸浓度减小 (3) 3% 65℃ 洗去有机相中的FeCl 3 (4)5.97 (5)5 (6) Sc (C O ) ·5H O  Sc O +3CO ↑+3CO↑+5H O 钪(Sc) 2 2 4 3 2 高温 2 3 2 2 【解析】由题给流程可知，赤泥加入盐酸酸浸时，钪元素转化为氯化钪，氧化铁、氧化铝 溶解转化为氯化铁、氯化铝，二氧化硅不反应，过滤得到含有二氧化硅的浸渣和含有氯化 钪、氯化铁、氯化铝的浸出液；向浸出液中加入萃取剂P O 萃取钪，分液得到含有氯化铁、 2 4 氯化铝的溶液和有机相；向溶液中加入萃取剂萃取溶液中的铁离子，分液得到氯化铝溶液； 氯化铝溶液经蒸发结晶得到氢氧化铝，煅烧氢氧化铝制得氧化铝；有机相用盐酸洗涤、分 液得到水相和有机相；有机相中加入氢氧化钠溶液反萃取，过滤得到反萃液和氢氧化钪； 氢氧化钪加入盐酸溶解、富集得到氯化钪；向氯化钪溶液中加入草酸溶液，将氯化钪转化 为草酸钪，过滤、灼烧草酸钪制得三氧化二钪。 (1)“浸渣”与强碱溶液的反应为二氧化硅与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和水，反应的离子2 2 方程式为SiO +2OH-=SiO3 +H O，故答案为：SiO +2OH-=SiO3 +H O； 2 2 2 2 (2)盐酸是挥发酸，受热易挥发，若酸浸时温度过高，氯化氢挥发会使盐酸浓度减小导致酸 浸速率下降，故答案为：盐酸易挥发，酸浸时温度过高，会使氯化氢挥发，盐酸浓度减小； (3) 由表格数据可知，P O 的浓度为3%时，钪萃取率最高、铁萃取率最低，由图可知，料液温 2 4 度为65℃时，钪/铁、钪/铝分离系数最高，所以萃取时P O 最佳浓度及料液温度分别为 2 4 3%、65℃，故答案为：3%；65℃； K sp 3 (4)由溶度积可知，钪离子完全沉淀时，溶液中氢氧根离子浓度为 c(Sc3) = 81031 3 1.0106mol/L =2×10-8.33mol/L，则溶液的pH为14-8.33+lg2=5.97，故答案为：5.97； (5)由钪原子原子个数守恒可知，草酸钪的物质的量与三氧化二钪的物质的量相等，由题给 0.69g 数据可知，草酸钪晶体中草酸钪和结晶水的物质的量比为：1：x=138g/mol： 0.69g354 2.96g75%- 138 ，解得x=5，故答案为：5； 18g/mol (6)由得失电子数目守恒可知，草酸钪晶体受热分解生成三氧化二钪、一氧化碳、二氧化碳 和水，反应的化学方程式为Sc (C O ) ·5H O  Sc O +3CO ↑+3CO↑+5H O，一氧化碳高温下 2 2 4 3 2 高温 2 3 2 2 还原性强，反应中生成的一氧化碳高温条件下能与三氧化二钪反应生成钪和二氧化碳，则 固体副产物主要为钪，故答案为：Sc (C O ) ·5H O  Sc O +3CO ↑+3CO↑+5H O；钪(Sc)。 2 2 4 3 2 高温 2 3 2 2